CN104807717A - 一种高品质因数高质量灵敏度的qcm传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，采用一种单面带有反台式圆形凹槽的谐振底板，通过增加谐振底板圆形凹槽外围区域(圆环状平台)的质量，同时上金属电极的布局即包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通，达到改善能陷效应和能量集中效应，进而提高QCM传感器的品质因数。同时，这样可以通过减小部分有效谐振区域的厚度，达到提高QCM传感器质量灵敏度的目的。

Description

一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器

技术领域

本发明属于压电传感器技术领域，更为具体地讲，涉及一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，可以应用于化学、材料、生物以及物理等领域。

背景技术

QCM传感器，也叫石英晶体微天平，是一种工作于厚度剪切模式的压电石英晶体材料制成的感知器件。它对质量变化非常敏感，通常用来检测微小的质量变化，可以实现纳克量级的质量检测。

Sauerbrey G于1959年发现QCM传感器的频率变化与其面吸附的质量成线性变化关系(Sauerbrey G；Verwendung von schwingquarzen zur w¨agung d¨unner schichten und zur mikrow,agung Z.Phys.No.155,1959,206–222)，这一发现使得QCM传感器在微质量感知领域得到广泛应用。

事实上，QCM传感器不只是在气相环境用来检测微小的质量变化，还可以进行生物化学相关的其他检测。上世纪80年代，Nomura团队实验证明了QCM在液相中也可以正常工作(见论文：T.Nomura and A.Minemura,“Behavior of a piezoelectric quartz crystal in an aqueous-solution and the application to the determination of minute amount of cyanide,”Nippon Kagaku Kaishi,pp.1621–1625,1980.)，这一发现大大地拓展了QCM的应用空间，尤其是在分析化学及生物医学领域得到广泛应用。最近几十年来，QCM传感在气相或者液相环境用于薄膜厚度及密度检测及杨氏模量检测、分析化学、聚合物、生物医学等领域的分析得到了广泛的应用，并且逐渐呈上升趋势。(详情见参考文献：M.A.Cooper,V.T.Singleton.A survey of the 2001to 2005quartz crystal microbalance biosensor literature:applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular interactions[J].J Mol Recognit,2007,20(3):154-184；陈令新,关亚风,杨丙成.压电晶体传感器的研究进展.化学进展。2002,14(1):68-76；Molino PJ,Hodson OM,Quinn JF,Wetherbee R.The quartz crystal microbalance:a new tool for the investigation of the bioadhesion of diatoms to surfaces of differing surface  energies[J].Langmuir,2008,24:6730-6737；Speight RE,Cooper MA.A Survey of the 2010Quartz Crystal Microbalance Literature[J].J Mol Recognit,2012,25(9):451-473；S.K.Vashist,P.Vashist.Recent Advances in Quartz Crystal Microbalance–Based Sensors[J].Journal of Sensors,2011,11(4):1-13；何建安,付龙,黄沫等.石英晶体微天平的新进展.中国科学:化学.2011,41(11):1679-1698)。

图1所示为传统QCM传感器的结构图，其中(A)为俯视图，(B)为截面图。如图1所示，传统QCM传感器为上下两个电极2、3中间夹着一个双面为平面的压电石英晶片即谐振底板1的三明治结构。由于压电效应和反压电效应的存在，在QCM传感器两面的电极上施加合适的激励信号，QCM传感器会发生谐振并输出稳定的频率信号。

传统的QCM传感器一般都是采用双平面结构，但是这种结构的QCM传感器还存在一定的缺陷和不足，主要表现为传感器的质量灵敏度与其谐振底板的厚度成反方向变化关系。也就是说，QCM传感器的质量灵敏度越高，其谐振底板的厚度越薄。而谐振底板的厚度越薄，其有效谐振区域的质量越小，导致传感器的品质因素越小，影响了QCM传感器的频率稳定度，从而影响测试精度。

图2是传统圆QCM传感器的质量灵敏度分布曲线。如图2所示，传统QCM传感器其质量灵敏度分布不均匀，且大多数区域质量灵敏度偏低。

另外，在某些特定场合，由于测试样品极其昂贵或者对人体有害，不可能使用较多的样品量。传统QCM传感器的质量灵敏度不够高而不能满足这样的测试场合需求，此时就需要一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，以同时满足较高的质量灵敏度以及较高品质因数的使用要求。

为实现上述发明目的，本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，包括谐振底板以及位于谐振底板上下表面的上下金属电极，其特征在于：

所述的谐振底板底侧为平面，谐振底板上侧为反台式圆形凹槽结构，包括圆形凹槽以及圆环状平台，圆形凹槽位于谐振底板上侧的几何中心位置，圆环状平台位于圆形凹槽外围，其高度与圆环凹槽外边沿高度相等；

上金属电极包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通；下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振底板几何中心位置。

本发明的目的是这样实现的。

本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，采用一种单面带有反台式圆形凹槽的谐振底板，通过增加谐振底板圆形凹槽外围区域(圆环状平台)的质量，同时上金属电极的布局即包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通，达到改善能陷效应和能量集中效应，进而提高QCM传感器的品质因数。同时，这样可以通过减小部分有效谐振区域的厚度，达到提高QCM传感器质量灵敏度的目的。

附图说明

图1是传统QCM传感器的结构图；

图2是传统QCM传感器的质量灵敏度分布曲线图；

图3是本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器一种具体实施方式结构图；

图4是图3所示QCM传感器沿圆心的截面剖视图；

图5是本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器质量灵敏度分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

QCM传感器对质量非常敏感，多用于微量微痕以及生化领域的检测。1959年，Saurebrey发现QCM传感器的频率变化与其表面的微小质量变化成线性关系并给出了显性表达式，被命名为Saurebrey方程。

根据Saurebrey方程，QCM传感器的质量灵敏度可用公式(1)和(2)表示：

       $C_{\mathrm{QCM}}=\frac{{{2\mathrm{nf}}_0}^2}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_q{\mathrm{\μ}}_q}}---\left(1\right)$

       $f_0=\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}_q/{\mathrm{\ρ}}_q}}{{2l}_q}=\frac{A_s\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_q{\mathrm{\μ}}_q}}{{2m}_q}---\left(2\right)$

其中，f₀是基频谐振频率，ρ_q是石英的密度，μ_q是石英的弹性系数，l_q为石英晶片的厚度，m_q是石英晶体质量，A_s是石英晶片表面积，n是泛音次数，n＝1,3,5…。

显然，从上面公式(1)和(2)可以发现，传统上下平面结构形式的QCM传感器存在如下问题：当要求传感器的质量灵敏度越高，其谐振频率就越高，谐振底板的整体厚度也就越薄，谐振底板越薄，其品质因素就越低，输出频率的稳定度也就越差，这样使得QCM传感器的测试准确度和测试精度也就越差，从而导致在某些特殊应用场合不能使用。QCM传感器品质因素与谐振底板厚度以及频率稳定度之间的关系可由下式给出：

       $Q_q=\frac{{2f}_0{\mathrm{\ρ}}_q{l}_q^2}{{\mathrm{n\π\η}}_q}=\frac{l_q\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_q{\mathrm{\μ}}_q}}{{\mathrm{n\π\η}}_q}=\frac{2\mathrm{\Δf}}{f_0}---\left(3\right)$

其中，f₀是基频谐振频率，Δf是频率变化，ρ_q是石英的密度，μ_q是石英的弹性系数，η_q是石英的粘度系数，l_q为石英晶片的厚度，A_s是石英晶片表面积，n是泛音次数，n＝1,3,5…。

为解决上述问题，本发明采用单面带有反台式圆形凹槽结构的谐振底板，通过圆形凹槽的设计提高了谐振区域的质量灵敏度。同时，通过在谐振底板的圆形凹槽外沿的圆环状平台，提高了谐振底板的厚度确定，增加了谐振底板的质量，达到了提高传感器品质因素的目的。

在本实施例中，如图3、4所示，本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器包括：谐振底板1以及位于谐振底板1上下表面的上下金属电极。

所述的谐振底板1底侧为平面，谐振底板1上侧为反台式圆形凹槽结构，包括圆形凹槽101以及圆环状平台102，圆形凹槽101位于谐振底板1上侧的几何中心位置，圆环状平台102位于圆形凹槽101外围，其高度与圆环凹槽101外边沿高度相等。

上金属电极包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极202以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极201，圆环状电极202以及圆形电极201通过金属导体203连通；下金属电极为一圆形电极3，覆盖在谐振底板1几何中心位置。电极引线204与圆环状电极202连接，以便与后续电路连接。

在本实施例中，如图3、4所示，本发明的QCM传感器的两面之间表现为非对称的结构。需要指出的是，在有反台式圆形凹槽结构的这一面，从圆形凹槽101外边沿到谐振底板的边沿，为环形状平台102。在本实施例中，所述的QCM传感器谐振底板1，其环形状平台102厚度最厚，从环形状平台102内边沿往中间方向逐渐变薄，即圆形凹槽101从外边沿到内侧底面高度逐步减少，最后形成平底圆形凹槽，其平底圆形区域为谐振区域。

图5是本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器质量灵敏度分布曲线图。

如图5所示，本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器其质量灵敏度分布均匀，质量灵敏度高。

本发明高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，通过对谐振底板的反台式圆形凹槽结构设计，提高了谐振区域的质量灵敏度。同时，通过圆形凹槽外沿到谐振底板外边沿设计为圆环状平台，提高了谐振底板的厚度确定，增加了谐振底板的质量，达到了提高传感器品质因素的目的。

下表面电极3覆盖在谐振底板中心位置处，下表面电极3的面积与谐振底板1上侧的圆形凹槽101部分的面积大小相等。谐振底板1的上表面电极和下表面电极通过声波耦合方式在谐振底板1的振动区域内建立电磁场并在谐振区内产生激励电压,谐振区产生的能量被束缚于谐振底板环形状平台102的区域以减少能量泄漏，保证传感器的谐振底板具有良好的能陷效应和能量集中效应。上下表面电极的直径以及谐振频率与能陷效应的关系可用如下公式表示：

       ${\mathrm{\Φ}}_e\≤\frac{l_q{M}_n}{n}{\left[\frac{f_e}{f_s-f_e}\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

      

       $C=n\·\frac{{\mathrm{\Φ}}_e}{{2l}_q}\sqrt{\frac{f_s-f_e}{f_s}}---\left(6\right)$

其中，Φ_e是下表面电极的直径，l_q为石英晶片的厚度，f_s是谐振底板未覆盖电极区域的截止频率，f_e是谐振底板覆盖电极区域的截止频率，n是泛音次数， 是修正系数。

本发明的实质是：通过增加谐振底板的圆形凹槽外围圆环状平台区域的质量，增加了传感器谐振底板的质量，提高了QCM传感器的品质因数；同时改进传感器电极的布局，达到改善能陷效应和能量集中效应，进一步提高了QCM传感器的品质因数。另外，通过减小部分有效谐振区域的厚度，达到提高QCM传感器质量灵敏度的目的。

本发明具有以下优点：与传统双平面结构的QCM传感器相比，本发明采用单面带有反台式圆形凹槽结构的谐振底板，一方面具有良好的质量灵敏度，另一方面具有高品质因数。可以应用于高精度测试场合，还可以应用于测试样品极其昂贵或者对人体有害，不可能使用较多样品量的某些特定场合。

上金属电极包括圆环状电极和圆形凹槽表明覆盖的圆形电极，电极材料为金、银或者铬+金(为了增加金在谐振底板的吸附力，首先以金属铬为基层，在铬层的上面再镀一层金)，上下金属电极的厚度为1000～2000×10^-10米。

本发明QCM传感器的谐振底板直径在8mm～20mm范围内。圆形凹槽用离子刻蚀工艺加工制作而成，圆形凹槽的直径为5mm～14mm范围，圆形凹槽外围圆环状平面的宽度为1.5mm～5mm范围。其材料为α型石英晶体，切型为AT切，切角范围为35°1'～35°15'。

本发明QCM传感器的谐振底板的谐振频率为10MHz～50MHz，工作泛音次数可以分别为：基频，3次泛音或者5次泛音。

根据上述技术方案，选用泛音次数为3次、AT切型、切角为的35°12′、谐振频率为30MHz的石英晶体材料制作谐振底板。其中，谐振底板圆形凹槽外围的圆环状平台表面到底侧平面的厚度为0.18mm，圆形凹槽平底到谐振底板底侧平面的厚度为0.12mm，谐振底板直径为18mm，圆形凹槽的直径为8mm，圆形凹槽外围圆环状平面的宽度为5mm。

当然，本发明不局限于上述具体实施方式，其他等同方式(如压电陶瓷， 压电薄膜，石英晶体，碳酸锂等压电材料做成的压电谐振式传感器；传感器的形状可以是圆形，也可以是方形)。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种高品质因数高质量灵敏度的QCM传感器，包括：谐振底板以及位于谐振底板表面的上下金属电极，其特征在于：

所述的谐振底板底侧为平面，谐振底板上侧为反台式圆形凹槽结构，包括圆形凹槽以及圆环状平台，圆形凹槽位于谐振底板上侧的几何中心位置，圆环状平台位于圆形凹槽外围，其高度与圆环凹槽外边沿高度相等；

上金属电极包括覆盖在圆环状平台表面的圆环状电极以及圆形凹槽表面覆盖的圆形电极，圆环状电极以及圆形电极通过金属导体连通；下金属电极为一圆形电极，覆盖在谐振底板几何中心位置。

2.根据权利要求1所述的QCM传感器，其特征在于，所述的圆形凹槽从外边沿到内侧底面高度逐步减少，最后形成平底圆形凹槽，其平底圆形区域为谐振区域。

3.根据权利要求1所述的QCM传感器，其特征在于，所述的上金属电极包括圆环状电极和圆形凹槽表明覆盖的圆形电极，电极材料为金、银或者铬+金(为了增加金在谐振底板的吸附力，首先以金属铬为基层，在铬层的上面再镀一层金)。